宋海濱

（華電國際青島發(fā)電有限責(zé)任公司，山東青島266031）

300 MW火電機(jī)組分散控制系統(tǒng)抗干擾能力分析

宋海濱

（華電國際青島發(fā)電有限責(zé)任公司，山東青島266031）

分析青島發(fā)電廠3號機(jī)組分散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、電源、接地，指出干擾影響DCS的途徑，提出DCS接地網(wǎng)應(yīng)獨(dú)立設(shè)置，并設(shè)計(jì)了一個(gè)井群接地網(wǎng)。

公共接地網(wǎng)；井群接地網(wǎng)；干擾；隔離

0 引言

根據(jù)DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》第4.1條和GB 51069—2006《電氣安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》第3.1.1條第15款規(guī)定，電氣設(shè)備的接地應(yīng)接至全廠公共接地網(wǎng)上。關(guān)于分散控制系統(tǒng)（DCS）的接地，根據(jù)DL/T 659《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程》的規(guī)定，既可以接全廠接地網(wǎng)，也可根據(jù)廠家要求設(shè)獨(dú)立接地網(wǎng)。青島發(fā)電廠3號機(jī)組為300MW機(jī)組，DCS型號為XDPS-400，2005年投產(chǎn)，其接地線接至全廠接地網(wǎng)。

該機(jī)組DCS自2012年以來，曾發(fā)生多次不明原因的信號擾動(dòng)現(xiàn)象，2013年還曾發(fā)生了一起干擾引起的非正常停機(jī)事故。為此，進(jìn)行了認(rèn)真排查，分析了XDPS－400的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電源系統(tǒng)、接地方式，梳理了電纜屏蔽層接地方式，發(fā)現(xiàn)DCS總接地線接入400 V電源室的接地網(wǎng)，存在易受強(qiáng)電干擾的隱患。根據(jù)干擾隔離原理［1-2］，設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)立接地網(wǎng)，將DCS的接地點(diǎn)從公共接地網(wǎng)獨(dú)立出來。

鑒于地域及周圍條件限制，DCS的獨(dú)立接地網(wǎng)并未按常規(guī)方式設(shè)計(jì)，而是采用井群接地網(wǎng)技術(shù)。井群接地網(wǎng)采用4個(gè)長度為1 m，直徑為20 cm的復(fù)合接地體，垂直深埋于井中，然后相互連接，構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的DCS接地網(wǎng)。使DCS與全廠公用系統(tǒng)在電氣上完全隔離，徹底阻斷了干擾傳播的通道。改造完成后，經(jīng)過多處電焊干擾試驗(yàn)，驗(yàn)證了DCS獨(dú)立接地網(wǎng)是成功的。

從干擾的影響機(jī)理看，干擾作為一種外因，如果要影響到DCS內(nèi)部，其要素不外乎起源、傳播通道、和受體［1，4，6］。接地網(wǎng)成為干擾傳播通道，因此，必須對接地網(wǎng)加以隔離［3，5］。

1 XDPS-400的電源及接地

XDPS-400是以控制站為節(jié)點(diǎn)的分布式結(jié)構(gòu)，每個(gè)站包括1個(gè)控制柜和1個(gè)端子柜，每個(gè)控制站內(nèi)的設(shè)備電源與接地結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DPU柜電源及接地

圖1中，G1為安全地，G2為數(shù)字地，G3為屏蔽地。24 V電源未接地，采用浮空方式。每個(gè)機(jī)柜的接地引線按組匯集到一起，最后接入接地網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 DCS機(jī)柜接地匯接

圖2中，G0接地點(diǎn)為400 V接地網(wǎng)。根據(jù)IEC對接地方式的定義，DCS的總接地方式屬于TN方式。

1.1 TN接地方式

根據(jù)IEC的定義，變壓器鐵心、外殼等與零線N、以及設(shè)備保護(hù)線PE共用一個(gè)接地點(diǎn)屬于TN方式。因?yàn)镈CS的接地點(diǎn)G0接到400 V接地網(wǎng)上，與廠用變壓器的鐵心、外殼、零線相通，因此，屬于TN方式。如圖3所示。

圖3 TN接地方式

在TN方式中，當(dāng)發(fā)生雷擊或工頻接地時(shí)，由于沖擊電流很大，接地網(wǎng)電位將大幅波動(dòng)，并將導(dǎo)致二次系統(tǒng)的地電位相應(yīng)波動(dòng)。解決這一問題的方法是對接地網(wǎng)徹底隔離，即電氣系統(tǒng)或設(shè)備的外殼單獨(dú)就近接地。

1.2 TT方式

DCS有一個(gè)直接接地點(diǎn)，電氣裝置外露導(dǎo)電部分接至電氣上與變壓器保護(hù)接地點(diǎn)無關(guān)的接地裝置，如圖4所示。

從圖4看，DCS采用TT接地方式后，內(nèi)外兩個(gè)系統(tǒng)已無直接電氣聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了互相隔離，是最安全的。

圖4 TT系統(tǒng)設(shè)備接地方式

2 TN方式時(shí)接地網(wǎng)沖擊對DCS的影響

2.1 接地網(wǎng)沖擊對模擬回路的影響

模擬輸入信號（AI）電纜一般采用屏蔽電纜，要求屏蔽層在計(jì)算機(jī)側(cè)單端接地。由于每根信號線都與屏蔽層之間存在分布電容，當(dāng)兩點(diǎn)接地時(shí)，帶通內(nèi)的高頻干擾將通過分布電容與信號線形成通路，如圖5所示。圖5中，G1為現(xiàn)場接地點(diǎn)，也是接地網(wǎng)干擾沖擊點(diǎn)，G2為計(jì)算機(jī)側(cè)接地點(diǎn)，高頻干擾將在信號回路中形成干擾電流。也就是通常所說的共模干擾最終以串模的形式影響測量電路。

圖5 接地網(wǎng)高頻干擾對模擬信號的影響

其中，r為兩個(gè)接地點(diǎn)之間的接地線內(nèi)阻。如果系統(tǒng)采用TT方式，則可以認(rèn)為圖5中的內(nèi)阻r極大，因此，干擾電流I1和I2將忽略不計(jì)。

2.2 接地網(wǎng)沖擊對開關(guān)量輸入通道的影響

開關(guān)量輸入信號（DI）包括開關(guān)位置、設(shè)備狀態(tài)等，一般來自繼電器輔助接點(diǎn)，且采用光電隔離，檢測電路原理如圖6所示。

圖6 接地網(wǎng)對開關(guān)量信號干擾原理

對于圖6所示的DI檢測電路，即便當(dāng)DI接點(diǎn)是開路的，由于存在對地分布電容，G1點(diǎn)的高頻干擾必在DI回路中形成瞬間導(dǎo)通，如果感應(yīng)電流強(qiáng)度足夠大，則將引起光耦瞬間導(dǎo)通，誤報(bào)信號由此產(chǎn)生。DI導(dǎo)線回路越長，該現(xiàn)象越嚴(yán)重。

2.3 接地網(wǎng)沖擊對邏輯電路及網(wǎng)絡(luò)的影響

在XDPS-400中，每個(gè)DPU中控制網(wǎng)的小交換機(jī)采用了24 V電源，其內(nèi)部的5 V電源是浮地的，即小交換機(jī)的邏輯地是浮空的。XDPS-400的控制網(wǎng)有脫網(wǎng)現(xiàn)象。脫網(wǎng)故障與接地網(wǎng)干擾有直接關(guān)系。當(dāng)邏輯電路與系統(tǒng)接地距離很近時(shí)，由于數(shù)字地Gd與接地線G1之間的分布電容C的原因，二者之間建立頻帶內(nèi)的高頻通道，有可能造成信號電壓瞬間波動(dòng)，如圖7所示。

圖7 接地網(wǎng)對浮地?cái)?shù)字電路干擾原理

從以上所述可以看到，DCS采用獨(dú)立接地網(wǎng)（TT方式）是根治外部接地網(wǎng)沖擊對DCS影響的有效措施。

3 DCS的抗干擾設(shè)計(jì)

3.1 TT接地方式

DCS采用TN方式時(shí)，當(dāng)電氣一次系統(tǒng)發(fā)生雷擊、設(shè)備接地、電焊等事件時(shí)，將影響二次系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)干擾測量裝置。因此，二次系統(tǒng)等弱電裝置宜采用獨(dú)立的接地，即TT接地方式，并在供電電源處最好采用隔離變壓器，如圖8所示。圖8中，G1為全廠公共接地網(wǎng)，G2為DCS獨(dú)立接地網(wǎng)，GB為隔離變壓器。

至于對DCS獨(dú)立接地網(wǎng)的要求，由于二次系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，一般不會(huì)直接發(fā)生雷擊接閃，且二次系統(tǒng)供電容量較小，不會(huì)發(fā)生像一次那樣的大接地電流。因此，其接地網(wǎng)可以不考慮沖擊電阻、跨步電壓、接地網(wǎng)熱腐蝕等，而主要是減小直流電阻、保證接地效果。為了較徹底阻斷干擾傳播通道，還應(yīng)有針對性的措施。

圖8 采用隔離變壓器的TT接地方式

3.2 模擬回路的設(shè)計(jì)

采用TT接地方式后，整個(gè)模擬信號回路還必須采取嚴(yán)格的隔離和屏蔽措施，并在計(jì)算機(jī)側(cè)一點(diǎn)接地。具體為，二次回路電纜的屏蔽層與現(xiàn)場的金屬體絕緣，在控制室內(nèi)接到專用接地網(wǎng)上。所有接地遵循“一點(diǎn)接地”原則，如圖9所示。

圖9 模擬信號回路屏蔽層及接地

3.3 開關(guān)量回路設(shè)計(jì)

開關(guān)量檢測回路應(yīng)采用如圖10所示的設(shè)計(jì)，以降低外部干擾。

圖10 開關(guān)量信號回路屏蔽層及接地

圖10中，連接DI干接點(diǎn)回路的電纜應(yīng)采用屏蔽電纜。屏蔽層、DCS機(jī)柜及設(shè)備外殼、直流工作電源“零電位”應(yīng)按“一點(diǎn)接地”原則接到DCS獨(dú)立接地網(wǎng)G2上。為進(jìn)一步提高抗工頻干擾效果，光耦取樣于R2兩端的分壓，而且選擇信號充電時(shí)間常數(shù)大于5 ms，隔離后的數(shù)字地Gd可以浮空，也可以按一點(diǎn)接地原則接到獨(dú)立接地網(wǎng)上。

3.4 輸出控制回路設(shè)計(jì)

輸出控制一般涉及3個(gè)電源，數(shù)字電路電源（+5V），出口繼電器電源（+48 V），直流馬達(dá)電源（+220 V），這3個(gè)電源之間應(yīng)隔離。輸出控制回路可采用圖11設(shè)計(jì)。

圖11 開關(guān)量輸出控制回路設(shè)計(jì)

圖11中，輸出控制電纜的屏蔽層也要在DCS側(cè)一點(diǎn)接地。直流馬達(dá)控制電源的負(fù)端也接DCS接地網(wǎng)。當(dāng)萬一發(fā)生馬達(dá)繞組擊穿時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生回路電流，因此也不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)事故。這是因?yàn)?，G1和G2之間的電阻很大，從而限制了馬達(dá)接地電流。

4 DCS獨(dú)立接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)

4.1 獨(dú)立接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

3號機(jī)組DCS的接地網(wǎng)采用4個(gè)井群式接地極，4個(gè)接地極埋在4個(gè)直徑為30 cm，深1.2 m的井中，每個(gè)井的距離為2.5 m，井內(nèi)埋設(shè)防腐蝕接地極，周圍填充降阻劑。在頂層（地表下0.5 m處）用防腐蝕材料將4個(gè)接地極環(huán)繞連接。鑒于地質(zhì)情況，地表下0.8 m即見海水，因此，每個(gè)接地極有0.4 m沒于海水中，接地效果極佳。在某個(gè)井頂點(diǎn)連接接地引出點(diǎn)。連接點(diǎn)處留有一個(gè)檢測井，以便定期檢查和測試。

4.2 接地電阻的測量

接地電阻測試儀器型號為GEOHMC，測量原理按照三線制測量原理測量。根據(jù)三線制接地電阻測量原理，測試儀中心樁與小接地網(wǎng)之間的距離必須達(dá)到5倍等效接地網(wǎng)半徑以上。因此，按接地等效半徑2.5 m算，中心樁與測量接地體之間的距離為12.5 m，遠(yuǎn)樁的距離為25.0 m。測量原理如圖12所示。

圖12 三線制接地電阻測量原理

從測量原理看，這是雙平衡電橋測量。其中為中心樁與接地體以及中心樁與遠(yuǎn)樁之間的土壤電阻，由于中心樁與二者之間等距離，因此，假設(shè)二者之間的電阻也一樣。因此，接地電阻RG的實(shí)質(zhì)其實(shí)是接地體與周圍土壤之間的表面接觸電阻。

實(shí)際上，中心樁與二者之間等電阻這種假設(shè)是一種理想情況，因?yàn)榈叵碌刭|(zhì)情況千差萬別。接地點(diǎn)處的土壤情況是關(guān)鍵。按照上述測試方法得到3號機(jī)組4個(gè)接地井的接地電阻為1.7 Ω。

5 結(jié)語

3號機(jī)組DCS經(jīng)過獨(dú)立接地網(wǎng)改造后，進(jìn)行電焊沖擊試驗(yàn)，未再出現(xiàn)信號波動(dòng)現(xiàn)象。說明DCS設(shè)置獨(dú)立接地網(wǎng)是成功的。為了提高二次系統(tǒng)的抗干擾能力，對二次系統(tǒng)的電源、模擬量輸入回路、開關(guān)量輸入回路、控制回路等分別采取了相應(yīng)的措施，將二次系統(tǒng)納入一個(gè)獨(dú)立、全程屏蔽的環(huán)境，阻斷了外部干擾的傳播通道。

［1］王洪新.電力系統(tǒng)電磁兼容［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

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Analysis of Anti-Disturbance Ability of the DCS in the 300 MW Unit

The structure，power system，and grounding of the DCS in Unit 3 are analyzed.Factors impacting interference on DCS are suggested.It is suggested that the grounding grid of DCS ought to be designed separately.A well group structure grounding grid has been designed.

common grounding grid；well group structure grid；disturbance；insulation

TK323

：B

：1007－9904（2014）06－0039－04

2014-08-06

宋海濱（1975），男，工程師，從事發(fā)電廠熱工檢修維護(hù)技術(shù)和生產(chǎn)管理工作。